城市隧道煤與瓦斯突出危險源超前探測技術(shù)研究

宋云梅

（云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司保山管理處）

1 引言

煤與瓦斯突出是我國最為嚴(yán)重的煤礦災(zāi)害之一，煤礦行業(yè)目前的煤與瓦斯突出預(yù)測及防治技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國外現(xiàn)有技術(shù)水平[1-2]，經(jīng)過幾十年的煤與瓦斯突出預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，我國煤礦行業(yè)在《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的基礎(chǔ)上，于2009 年頒布實(shí)施了《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，與《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》相比，突出預(yù)測技術(shù)、方法、指標(biāo)及預(yù)測裝備水平都得到了提升，提出在不同安全巖柱范圍區(qū)域預(yù)測及工作面預(yù)測的方法、指標(biāo)等[3-4]，開發(fā)并推廣應(yīng)用了煤層瓦斯含量直接測定技術(shù)及裝備，并且改變了原來不合理的、甚至不可靠的預(yù)測指標(biāo)[5]，使我國煤礦的煤與瓦斯突出預(yù)測技術(shù)得到較大進(jìn)步與發(fā)展。

由于目前隧道行業(yè)執(zhí)行的《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》是在當(dāng)時煤礦行業(yè)執(zhí)行的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》基礎(chǔ)上編制的，因此，與現(xiàn)行煤礦行業(yè)相比，其預(yù)測方法、指標(biāo)及裝備等方面并未實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)的同步發(fā)展，行業(yè)規(guī)范也未進(jìn)行修訂。另一方面，由于隧道與煤礦井下石門屬同類巷道工程，區(qū)別在于隧道斷面大，掘進(jìn)方式不同。鑒于此，開展大斷面隧道煤與瓦斯突出預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究是有必要的，即在煤礦行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)及裝備基礎(chǔ)上，提出適用于城市公路大斷面隧道應(yīng)用的煤與瓦斯突出預(yù)測技術(shù)及方法，不但是有效、準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測大斷面隧道煤與瓦斯突出危險性的關(guān)鍵，也為公路瓦斯隧道行業(yè)技術(shù)規(guī)范的編制提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并為依托工程建設(shè)提供科學(xué)技術(shù)依據(jù)和安全保障。

2 城市隧道煤與瓦斯突出危險源超前探測

對穿越煤層及煤礦采空區(qū)的瓦斯隧道來說，及時掌握掌子面前方煤體或者煤礦采空區(qū)的位置及賦存特征是避免因誤穿煤層而導(dǎo)致瓦斯大量突然涌入引起瓦斯事故和煤與瓦斯突出的重要環(huán)節(jié)，因此，在掌子面臨近煤層前的超前地質(zhì)分析預(yù)測必不可少。

2.1 超前地質(zhì)分析預(yù)測方法

物探是地球物理勘探（Geophysical Prospecting）的簡稱，是以巖石、礦石（或地層）與圍巖的物理性質(zhì)差密度、磁化性質(zhì)、導(dǎo)電性、放射性差異為基礎(chǔ)，觀測并綜合分析天然或者人工地球物理場的分布特征，探測地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)或地質(zhì)體的探勘方法，物探具有理論基礎(chǔ)成熟、適用性廣、設(shè)備輕便、快捷高效、探測距離大、結(jié)果直觀等特征。

某隧道施工過程中主要采用探地雷達(dá)進(jìn)行超前物理探測，實(shí)踐證明，探地雷達(dá)可以為隧道準(zhǔn)確地提供地質(zhì)資料，是一種高效、準(zhǔn)確的探測方法，可有效保障安全施工。探地雷達(dá)基于時間域脈沖原理，將寬頻帶的脈沖電磁波發(fā)射到地質(zhì)體中，然后接受反射信號用于探測目標(biāo)地質(zhì)體[6]。

1）探地雷達(dá)測點(diǎn)布置及施工方法

本次探測采用SIR-20探地雷達(dá)進(jìn)行隧道巖體結(jié)構(gòu)面探測，雷達(dá)中心頻率為100MHz，根據(jù)現(xiàn)場的工作條件和巖性特征，探測距離可超過30m。

根據(jù)現(xiàn)場條件，在掌子面上部（拱頂）布置了仰角0°（掌子面正前方）、30°、60°、90°（拱頂正上方）4條距臺車高約1.5m的左至右的橫測線，測線長度約8m，測線編號為測線1、測線2、測線3、測線4，另外，在橫測線的2m、4m、6m 處分別進(jìn)行了定點(diǎn)探測；最后還在掌子面下部布置了1 條橫測線，測線長為8m（起止點(diǎn)為4m、12m處）。

2）探地雷達(dá)資料解釋

探地雷達(dá)所形成的成果圖是對掌子面前方異常區(qū)的具體反映，但對成果圖的解釋卻反映出不同的結(jié)果。探地雷達(dá)結(jié)果綜合分析可知，掌子面拱頂附近的正前方右側(cè)15m～30m 范圍內(nèi)層理、節(jié)理裂隙較發(fā)育，且與周圍巖層賦存情況不一致；掌子面拱頂附近正前方22m～26m 范圍內(nèi)巖體層理、節(jié)理裂隙較發(fā)育，且該范圍內(nèi)存在煤線，掌子面拱頂附近的正前方0m～15m 范圍內(nèi)具體情況與目前掌子面揭露的情況基本一致。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造影響因素

大多數(shù)學(xué)者發(fā)現(xiàn)斷層是構(gòu)造應(yīng)力現(xiàn)象，因此斷層附近往往存在較高的結(jié)構(gòu)應(yīng)力[6-8]。當(dāng)煤層靠近采動斷層時，斷層構(gòu)造應(yīng)力與工作面的超前支承壓力疊加，形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力濃度超過煤巖強(qiáng)度極限時就會發(fā)生煤氣動力災(zāi)害。然而，隨著地應(yīng)力測量系統(tǒng)的發(fā)展，斷層附近的大地應(yīng)力并沒有人們想象的那么大。因?yàn)?，在?gòu)造應(yīng)力作用下，巖體發(fā)生破碎，此時，除了保持巖塊的殘余變形外，儲能被部分或全部釋放，結(jié)構(gòu)應(yīng)力則部分地或完全地消失。此外，斷層現(xiàn)今大多為非活動狀態(tài)，由于長期的地質(zhì)作用，巖體中的構(gòu)造應(yīng)力有所降低。因此，在數(shù)值模擬中沒有考慮殘余構(gòu)造應(yīng)力。

模型和邊界條件設(shè)置：采用三維模型，構(gòu)造帶煤巖體力學(xué)性質(zhì)相對于周圍巖體較低，用可塑性較強(qiáng)的巖石代替。有限差分模型長50m，高30m，寬10m。模型底部固定，四周施加區(qū)域最大水平主應(yīng)力和中間水平主應(yīng)力σ1和σ2=25MPa，頂部施加區(qū)域最小主應(yīng)力σ3=15MPa（見表1）。

表1 模型力學(xué)參數(shù)取值表

1）斷層傾角對水平構(gòu)造應(yīng)力場分布的影響

為了研究斷層傾角對斷層不同部位水平構(gòu)造應(yīng)力分布的影響程度，分別建立了15°、30°、60°和75°斷層模型，模型邊界施加相同的邊界條件，模擬結(jié)果如下圖1所示。

圖1 不同傾角的斷層最大主應(yīng)力分布圖

根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷層端部巖體受水平壓應(yīng)力程度明顯高于其他部位，并且出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷層端部應(yīng)力集中系數(shù)為1.26～1.47，隨著斷層傾角的逐漸增大，斷層尖端應(yīng)力集中呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)傾角較小時，斷層中部的壓縮應(yīng)力將小于斷層的主應(yīng)力，而傾斜角度逐漸增大時，將逐漸接近主應(yīng)力并使構(gòu)造應(yīng)力向斷面轉(zhuǎn)移。

2）正、逆斷層對應(yīng)力場分布的影響

正、逆斷層力學(xué)作用不同，正常斷層主要是由周圍地質(zhì)板塊之間的拉張作用引起的，這使上下盤發(fā)生剪切和滑動。逆斷層是由上板塊和下板塊所處的地質(zhì)板塊之間的剪切和擠壓引起的，因此兩個巖層重疊，并伴隨著相對位移。因此，分別建立了角度相同的正斷層和反斷層，其邊界條件為等效拉應(yīng)力和等效壓應(yīng)力。結(jié)果表明，在相同條件下，逆斷層端部的應(yīng)力集中明顯大于正斷層，主應(yīng)力最大值也較大。反演斷層形成的根本原因在于，當(dāng)兩種主應(yīng)力的差分引起的剪應(yīng)力超過巖石的抗剪強(qiáng)度時，會發(fā)生巖石破裂和進(jìn)一步位移，從而使斷層表面的水平應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主應(yīng)力。正斷層的形成原因是水平方向的拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度，上下盤產(chǎn)生錯動并形成破裂帶，因此，在斷層面處應(yīng)力有所減小，但在斷層面端部仍出現(xiàn)集中應(yīng)力并大于原巖應(yīng)力的情況。

3 結(jié)語

本文以物探法對超前地質(zhì)分析預(yù)測方法進(jìn)行了研究，同時對斷層地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)力集中范圍進(jìn)行了數(shù)值模擬，總結(jié)得到幾點(diǎn)結(jié)論。

對探地雷達(dá)在隧道施工掘進(jìn)過程中超前地質(zhì)分析的應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證，同時從測點(diǎn)布置、探測結(jié)果解釋等方面進(jìn)行了總結(jié)，提出了整套超前地質(zhì)分析方法體系。針對構(gòu)造應(yīng)力分布實(shí)測較為困難的現(xiàn)狀，采用數(shù)值模擬的方法對斷層地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力分布進(jìn)行分析，得到不同因素在構(gòu)造應(yīng)力分布中所起到的主要作用，也為局部隱伏地質(zhì)構(gòu)造的探測提供相應(yīng)的基礎(chǔ)資料。